L’organisation de l’institution autour d’une finalité commune

A sequência de montagem é o processo lógico de associação dos vários componentes que constituem o projétil.

A sequência proposta segue a seguinte ordem (Figura 4.6): 1. Colocar o anel de esmagamento na espoleta;

2. Colocar o punção no chassis de suporte e enrosca-lo na espoleta; 3. Associar em série a membrana fusível, a matriz e o suporte da matriz; 4. Enroscar o suporte da matriz no chassis de suporte;

5. Enroscar o veio na membrana fusível; 6. Inserir a mola no veio;

7. Inserir o êmbolo no veio e comprimir a mola com o êmbolo, até este atingir a sua posição final, encostando-se no batente. Nessa posição, fixar o êmbolo por intermédio de seis pernos nos orifícios, enroscados até ao batente (veio);

8. Enroscar o chassis de suporte no corpo principal do projétil;

9. Enroscar a cinta de travamento no corpo principal do projétil, depois de colocar cola na respetiva rosca;

10. Inserir a placa estanque no veio e encostá-la ao êmbolo;

11. Montar o corpo de acoplamento do projétil no corpo principal do projétil;

12. Encaixar os O-rings na tampa do compartimento de carga, colocar a tampa no corpo do projétil e fixa-la por intermédio de um parafuso;

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Figura 4.6 – Sequência de Montagem

4.3. EQUIPAMENTO AUXILIAR DE MONTAGEM

Com o objetivo de agilizar a montagem e, se necessário, a desmontagem do projétil FIREND foi desenvolvido um conjunto de ferramentas auxiliares e uma prensa hidráulica para compressão da mola.

No fabrico destas ferramentas deve ser utilizado um aço ferramenta. O material escolhido foi o mesmo para a tampa, AISI H13 (Tabela 3.5)

4.3.1. CHAVE DE FUROS

A chave de furos (Figura 4.7) permite mais facilmente enroscar, numa primeira fase de montagem do projétil, o punção na espoleta, e posteriormente, o suporte da matriz no chassis de suporte.

Quando utilizada a chave de furos, deve ser operada com o auxílio de uma chave de bocas ou com uma chave francesa (Figura 4.8). Para melhorar a sintonia entre estas duas chaves, a chave de furos possui dois rasgos laterais.

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Figura 4.7 – Chave de furos Figura 4.8 – Chave de furos com chave de bocas

Como é possível verificar na Figura 4.7, a chave de furos possui duas secções de diâmetros diferentes, cada uma com dois pinos. A secção de menor diâmetro permite apertar o punção (Figura 4.9). A secção de maior diâmetro destina-se ao suporte da matriz (Figura 4.10).

Figura 4.9 – Punção apertado pela chave de furos

Figura 4.10 – Suporte da matriz apertado pela chave de furos

4.3.2. CHAVE DE SUPORTE

A chave de suporte serve de apoio a três fases da montagem do projétil. Para cada uma das fases referidas possui uma secção com características diferentes, como se pode verificar na Figura 4.11.

Figura 4.11 – Chave de Suporte

Numa primeira fase, a chave de suporte serve de apoio à ligação entre o punção e a espoleta (Figura 4.12). Para tal, possui uma secção reta de maior largura que irá encaixar nos entalhes que a

37 espoleta possui (Figura 4.13). É de referir ainda que a espessura desta chave permita que seja operada entre a espoleta e o chassis de suporte (Figura 4.12).

Figura 4.12 – Ligação entre o punção e a espoleta com auxílio das chaves

Figura 4.13 – Espoleta com chave de suporte

Numa segunda fase, a chave de suporte serve de apoio à ligação entre o chassis de suporte e o suporte da matriz (Figura 4.14). Para tal, possui uma secção circular com dois pinos que irão encaixar nos dois furos que o chassis de suporte possui (Figura 4.15).

Figura 4.14 – Ligação entre o chassis de suporte e o suporte da matriz com auxílio das chaves

Figura 4.15 – Chassis de suporte com chave de suporte

Numa terceira fase, a chave de suporte serve de apoio à ligação entre a membrana fusível e o veio. Por este motivo, possui uma secção reta de menor largura que irá encaixar nos entalhes que existem na membrana fusível (Figura 4.16). Esta ligação pode e deve ser auxiliada por uma chave de bocas ou por uma chave francesa (Figura 4.17), utilizando os entalhes que o veio possui.

Figura 4.16 – Ligação da membrana fusível com o veio com o auxílio da chave de suporte

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4.3.3. CHAVE TAMAC

A Chave TAMAC permite mais facilmente enroscar o corpo de acoplamento no corpo principal.

Figura 4.18 – Chave TAMAC Figura 4.19 – Chave TAMAC com corpo de acoplamento

Como se pode verificar pela Figura 4.18, a chave TAMAC possui quatro pinos igualmente espaçados que encaixam perfeitamente nos quatro rasgos (Figura 4.19), também igualmente espaçados, no corpo de acoplamento (Figura 3.3b).

Para facilitar o transporte desta chave, o cabo que permite operar esta chave pode ser desmontado (Figura 4.20).

Figura 4.20 – Chave TAMAC desmontada

A chave TAMAC possui ainda dois pinos suplentes que são guardados nas extremidades do cabo. Estes pinos, quando inseridos nas respetivas extremidades, impedem que o cabo saia do orifício onde este atua.

4.3.4. PRENSA

A prensa hidráulica para auxilio à montagem do projétil FIREND foi um trabalho desenvolvido em conjunto com alunos do 4º ano de Engenharia Mecânica e tem como função a compressão da mola, armando-se assim o projétil, em qualquer lugar e sob quaisquer condições atmosféricas.

Este equipamento, tem por base a simplicidade de utilização e transporte, permitindo com o auxílio das ferramentas fabricadas, a montagem e desmontagem do projétil de uma forma rápida e expedita em qualquer momento e sob quaisquer condições.

Para o projeto e fabrico da prensa foram estabelecidas as seguintes especificações:

 Capacidade de compressão: 7000N;

 Deslocamento: 78mm;

 Portátil;

 De fácil operabilidade;

 Capacidades de ser adaptada para outros calibres, nomeadamente 155mm;

39 Foram desenvolvidos dois projetos para a prensa, dos quais, avaliando vantagens e desvantagens, foi escolhido um.

Figura 4.21 – Prensa 1 Figura 4.22 – Prensa 2

Prensa 1 Vantagens

 Auto centrante

 Auto guiada

 Não existência de momentos fletores

 Robusta

 Fixação da munição Desvantagens

 Difícil fabrico (Casquilhos)

 Dificuldade em aquisição de material

 Elevado custo

Prensa 2 Vantagens

 Foram evitadas as guias

 Redução do curso da prensa

 Menos material gasto

 Facilmente desmontável

 Simplicidade Desvantagens

 Possibilidade de flexões

 Acoplamento de munição (copo)

Avaliando as vantagens e desvantagens apresentadas, optou-se pelo fabrico da prensa 2 (Figura 4.22).

O macaco hidráulico selecionado, componente fundamental da prensa a fabricar, tem as seguintes especificações técnicas.

Especificações técnicas

 Capacidade 4 Toneladas

 Curso 370mm

 Dois segmentos

 Fixado pela base

Figura 4.23 – Macaco hidráulico e respetivas especificações técnicas

Tendo em conta que uma das desvantagens apresentadas para a prensa escolhida foi a possibilidade de existência de flexão, procedeu-se a uma análise de tensões[16] para uma força de 7000N, força necessária para compressão da mola, e para uma força de 40000N, força máxima.

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Figura 4.24 - Deformações de trabalho (aumentado 213x) Figura 4.25 – Tensão de trabalho (Tensão Equivalente de Von Mises)

Figura 4.26 – Deformações em carga máxima (aumentada 37x) Figura 4.27 – Tensões em carga máxima (Tensão Equivalente de Von Mises)

A prensa hidráulica foi fabricada de acordo com todas as especificações apresentadas e foi testada e operada numa situação real, tendo satisfeito todos os pré-requisitos estabelecidos.

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5. ENSAIOS DE FUNCIONALIDADE

Os ensaios de funcionalidade consistiram em avaliar o desempenho do projétil em condições de tiro reais utilizando para tal um Obus de Artilharia de calibre 105mm [7].

5.1. OBJECTIVOS

Para os ensaios de funcionalidade foram definidos os seguintes objetivos:

 Verificar se o cartucho propulsor é compatível com o projétil;

 Verificar se o sistema de fixação da cinta de travamento permite um disparo com eficiência;

 Verificar se a deformação plástica da cinta de travamento permitiu a obturação do projétil no interior do tubo e se o processo de engenharia inverso utilizado, deu resultado;

 Avaliar o corte da membrana fusível, nomeadamente a superfície de corte;

 Avaliar o comportamento e estabilidade aerodinâmica do projétil durante o voo;

 Avaliar o sistema de detonação mecânica e a extração da carga após o impacto;

 Verificar quais os componentes que podem ser reutilizados após os ensaios;

5.2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O procedimento experimental consistiu na realização de tiro de artilharia com o projétil FIREND. Antes de se proceder aos ensaios balísticos, foi necessário verificar se o obus utilizado [7] se encontrava em condições de operacionalidade. Para tal foi necessário realizar o recuo artificial da ligação elástica do próprio obus de forma a verificar se a mesma se encontrava dentro dos parâmetros de fábrica. Também nesta fase de revisão da arma, foi necessário efetuar uma revisão em termos de mecânica e acoplar e verificar todos os aparelhos de pontaria que dele fazem parte.

Para garantir que as tolerâncias geométricas utilizadas no fabrico do projétil estavam de acordo com as dimensões do cano do obus, antes dos ensaios balísticos, todos os projeteis, desprovidos de cinta de travamento, foram introduzidos no cano do obus e passados de uma extremidade à outra. Assim, validou-se o toleranciamento utilizado no projétil e garantiu-se que não existiam obstruções no cano do obus.

Passando à fase experimental, ao tiro com o obus, foi em primeiro lugar realizado tiro com 4 granadas HE [12] para colocar o obus em condições ótimas de tiro e ainda definir valores padrões (elevações e trajetórias) utilizados como referência no tiro com o projétil FIREND, a realizar posteriormente.

Em seguida, procedeu-se ao encartuchamento do projétil com o cartucho M14 (Figura 5.1), constituindo-se, desta forma, a munição de artilharia (Figura 5.2).

Por último, executou-se o tiro de artilharia utilizando-se para tal o Obus M101 A1 105mm/22 (Figura 5.3), de calibre 105mm [7].

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Figura 5.1 – Cartucho M14 Figura 5.2 – Munição FIREND Figura 5.3 – Obus M101 A1 105mm/22

Durante a realização dos ensaios, foram recolhidos dados relativos à velocidade do projétil à boca do obus, utilizando-se para tal o radar velocímetro RS337-MK III AFA MVR (Figura 5.4), e, ainda, dados relativos ao comportamento do projétil, à saída do tubo, utilizando-se para tal uma câmara fotográfica de alta velocidade (Figura 5.5).

Figura 5.4 – Radar velocímetro Figura 5.5 – Câmara fotográfica de alta velocidade

Após a realização de todos os ensaios, procedeu-se à localização e recolha, no terreno, dos cinco projéteis e, também, ao registo das coordenadas posicionais dos locais onde se deram os diferentes impactos, utilizando-se para tal o recetor GPS TOPCON GGD (Figura 5.6).

Figura 5.6 – Recetor de GPS

5.3. CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS

O projétil FIREND foi testado no polígono de tiro da Escola Prática de Artilharia em Vendas Novas (Figura 5.7 e Figura 5.8). Tendo em conta a área deste polígono e o número de projeteis disponíveis, apenas foi possível realizar tiro com carga propulsora 1.

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Figura 5.7 – Escola Prática de Artilharia Figura 5.8 – Polígono de tiro

O local de impacto dos cinco projéteis estava situado a cerca de 2000m da posição de tiro, sendo esta uma área bastante arenosa (Figura 5.9). A dispersão dos impactos foi aproximadamente de 70m e a velocidade de impacto rondou os 500Km/h.

Figura 5.9 – Local de impacto

Em cada ensaio realizado, o projétil possuiu diferentes condições a avaliar (Anexos 7):

 Para avaliar a rigidez de detonação, isto é, a força necessária para despoletar o mecanismo de detonação mecânica, foram utilizadas membranas fusíveis com diferentes espessuras (1mm, 1,5mm e 2mm);

 Para avaliar a dureza ideal da cinta de travamento e a sua deformação plástica, foram utilizadas duas cintas com diferentes durezas (120 HV e 150 HV);

 Para simular a carga e avaliar a sua dispersão no terreno, utilizaram-se bolas de paintball e bolas de airsoft (Figura 5.10), de forma a aproveitar os ensaios balísticos.

Figura 5.10 – Bolas de paintball

5.4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS

A análise dos resultados experimentais foi dividida de acordo com os objetivos estabelecidos inicialmente, e por isso foi feita a observação no obus, durante a trajetória e no local de impacto.

No instante em que o projétil deixa o tubo do obus é possível observar-se, através das fotografias tiradas pela camara de alta velocidade, que, ao contrário da granada HE [12], há escape de gases e por isso fumos a sair à frente da munição (Figura 5.11). Isto significa que a obturação da cinta de travamento

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não é completa, podendo o seu diâmetro exterior ser insuficiente para preencher os espaços vazios entre as estrias, ou a deformação plástica do material não se ter dado da melhor forma. Esta obturação defeituosa traduzir-se-á numa perda de pressão, que por sua vez se traduz numa perda de velocidade do projétil à boca do cano do obus e numa menor distância percorrida durante o voo, ou seja, menor alcance.

Figura 5.11 – Escape de gases à boca do obus

Foi ainda verificado que os projéteis que possuíam uma membrana fusível com uma espessura de 1mm perdiam o sistema de extração da carga assim que abandonavam o obus (Figura 5.12). Isto significa que a espessura de 1mm na membrana fusível não é suficiente para resistir à pressão conjunta da resistência do ar, da força de sucção e da força de impulsão provocada pela deflagração da carga propulsora, que surge imediatamente à saída da boca do cano do obus.

Figura 5.12 – Perda do sistema de extração de carga

Durante a realização dos ensaios de tiro foram colocados no polígono, postos de observação avançados, com o objetivo de observar/ouvir ruídos anormais da munição ao longo da sua trajetória, e que fossem indicativos de anomalias aerodinâmicas.

As principais observações que levam a classificar de anormal um disparo e por conseguinte uma trajetória anormal, são [19] [20]:

 Má estabilidade à partida que se caracteriza por ruídos irregulares de período relativamente grande durante a trajetória da munição;

 Má estabilidade ao longo da trajetória caracterizada pelo nascimento e intensificação de um ruído periódico ao longo da trajetória, podendo também ser acompanhado de basculamento do projétil o que dará origem a um encurtamento do alcance;

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 Perda de uma falsa ogiva ou de uma cinta, facto que se verifica em geral próximo da posição da boca de fogo e se nota por um ruído ligeiro que termina quando a parte destacada cai no solo. Poderemos então concluir que nenhuma destas situações aconteceu e por isso poderemos afirmar que a munição teve também um comportamento aerodinâmico estável.

Após a realização dos ensaios e depois de determinados e observados os locais de impacto, verificou-se que os projéteis se encontravam enterrados a uma profundidade aproximada de 1,5m e que os sistemas de extração mal se tinham separado dos projéteis. Este ultimo aspeto deveu-se a dois fatores: à grande velocidade com que os projéteis atingiram o solo e ao facto de ser um solo bastante arenoso. Estes dois fatores conjugados fizeram com que os projéteis perfurassem o solo facilmente e tapassem ao mesmo tempo o percurso que anteriormente tinham feito. Impossibilitando assim uma extração e dispersão adequada da carga (Figura 5.13).

Figura 5.13 – Local de impacto do projétil FZ

Apesar do local de impacto ser bastante arenoso e tendo em conta que a atual versão do projétil FIREND possui um anel de esmagamento com uma resistência à compressão bastante superior ao anel de esmagamento da versão anterior, verificou-se que todas as restantes membranas fusíveis se encontravam separadas em duas partes (Figura 5.14). A membrana fusível foi cortada na sua totalidade e apresenta uma superfície de corte obtida por arrombamento do tipo III. Não existe praticamente rebarba e as restantes superfícies (cone de rotura, penetração e repuxamento), apresentam um equilíbrio entre si, podendo considerar-se um corte perfeito. Este fato contraria de certo modo o estudo efetuado anteriormente [2], que apontava para uma morfologia da superfície obtida no corte por arrombamento em função da folga projetada entre punção e matriz, do tipo I, com uma rebarba importante (Figura 5.15) [16] .

Figura 5.14 – Sistema de extração separado do resto do projétil Figura 5.15 – Membrana fusível antese depois dos ensaios balísticos

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Verificou-se igualmente que, em todos os ensaios, o anel de esmagamento foi cortado e desta forma, inutilizado para futuros ensaios.

Além dos anéis de esmagamento, também os veios apresentavam alguma deformação plástica. Dos cinco ensaios realizados, apenas foi possível recuperar dois veios, os restantes estavam inutilizados. Quanto aos restantes componentes, apresentavam-se em condições de ser reutilizados.

O corte da membrana fusível não deformou o punção e a matriz. Este facto reflete uma boa seleção do material e do tratamento térmico para estes componentes, bem como o tipo de folga entre punção e matriz [2].

Após o registo das coordenadas posicionais dos locais de impacto, procedeu-se à análise dos resultados relativos ao alcance e posição de impacto, tendo-se elaborado a Tabela 5.1.

Ensaio V0 [m/s] dif V0 [m/s]

Correção em Distancia da dif V0 [m]

Dist. Esp. [m] Dist. Reg. [m]

HE 181,6 0 0 2480 2480 1 FZ 178,5 - 3,1 78,74 2401,26 2040 2 PV 179,9 - 1,7 43,18 2436,82 2030 3 LB 176,8 - 4,8 121,92 2358,08 2050 4 BJ 172,7 - 8,9 226,06 2253,94 2000 5 ZG 178,9 - 2,7 68,58 2411,42 2070

Tabela 5.1 – Registo das distâncias alcançadas pelos projéteis

Figura 5.16 – Dispersão dos locais de impacto dos ensaios balísticos e da granada HE

Tendo por referência os dados do tiro da granada HE, verificou-se que todos os ensaios do projétil FIREND registam uma perda de velocidade inicial (dif V0) que se traduz num menor alcance.

Tendo-se em conta a correção da distância correspondente à diferença de velocidade inicial, o alcance esperado encontra-se registado na coluna Dist. Esp. No entanto, o alcance obtido foi significativamente inferior ao previsto, mas a dispersão das posições de impacto também foi bastante inferior, diâmetro de 70m.

Estes alcances e a respetiva dispersão podem ter diversas causas:

47 Ensaio V0 [m/s] dif V₀ [m/s] Correção em Distancia da dif V₀ [m] Dist. Esp. [m] Dist. Reg. [m] HE 181,6 0 0 2480 2480 1 FZ 178,5 - 3,1 78,74 2401,26 2040 5 ZG 178,9 - 2,7 68,58 2411,42 2070

Tabela 5.2 – Registo das V0 e Dist. Reg. dos ensaios 1 e 5

Na Tabela 5.2 estão registados os dados dos ensaios 1 e 5. A variável entre estes dois ensaios estava no material da cinta de travamento utilizado em cada e como tal na sua dureza. O ensaio 1 possuía uma cinta de travamento em latão, CuZn40Pb2 (HV120) e o ensaio 5 possuía uma cinta de travamento em bronze, 1705CuSn12 (HV150).

Podemos constatar pela Tabela 5.2 que os ensaios com uma cinta de travamento com uma dureza superior tiveram V0 superior e um alcance também superior aos ensaios com cinta de travamento

com dureza inferior, o que indica que a deformação plástica da cinta de travamento com maior dureza teve um comportamento mais eficaz em termos de obturação..

Influência da Espessura da Membrana Fusível

Ensaio V0 [m/s] dif V0 [m/s] Correção em Distancia da dif V0 [m] Dist. Esp. [m] Dist. Reg. [m] HE 181,6 0 0 2480 2480 1 FZ 178,5 - 3,1 78,74 2401,26 2040 3 LB 176,8 - 4,8 121,92 2358,08 2050 4 BJ 172,7 - 8,9 226,06 2253,94 2000

Tabela 5.3 – Registo das V0 e Distância Registada dos ensaios 1, 3 e 4

Na Tabela 5.3 estão registados os dados dos ensaios 1, 3 e 4. A variável entre estes ensaios está na espessura da membrana fusível. O ensaio 1 possuí uma membrana fusível com uma espessura de 2mm, o ensaio 3 uma membrana com uma espessura de 1.5mm e o ensaio 4 uma membrana fusível com uma espessura de 1mm.

Podemos constatar pela Tabela 5.3 que entre os ensaios 1 e 3 e o 4 existe uma diferença de V0,

fruto da deflagração da carga propulsora ou da temperatura das pólvoras e por conseguinte de alcance. Deve-se ter em conta que no ensaio 4, o projétil perdeu o sistema de extração de carga à boca do obus, podendo-se concluir que para além de uma espessura de 1mm não ser suficiente para resistir à pressão à boca do obus também origina a perda de componentes e que depois se virá a traduzir numa menor performance.

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O próprio estado de conservação em que o obus utilizado se encontrava, também pode ter contribuído para estes resultados. Isto é, o obus utilizado possuía já algum desgaste originado pela própria utilização ao longo dos anos.

Deve-se ainda considerar o erro de medição associado, quer aos aparelhos de medição quer ao próprio operador e do qual poderá advir erros na medição da V0. Poderão ainda ter existido erros menos

relevantes associados à medição da temperatura ambiente e ainda do peso dos projéteis e da própria pólvora.

Deve-se ainda considerar o facto de os valores padrões utilizados para efetuar tiro terem sido os da granada HE, que possui uma geometria bastante distinta da do projétil FIREND.

Todos estes factos apresentados, de forma separada ou combinados, poderão constituir hipóteses que expliquem quer os alcances obtidos quer a dispersão dos locais de impacto.

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6. CONCLUSÕES

De todas as conclusões que são possíveis estabelecer, como resultado de todas as fases deste projeto, destaca-se o facto de todo o conceito desenvolvido, salvo alguns pormenores passíveis de serem melhorados, ter tido uma muito boa prestação, em condições reais de tiro de artilharia.

Outras conclusões que se podem retirar, são as seguintes:

 Relativamente à versão anterior deste projeto, foram introduzidas alterações ao nível da

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